Atomų sąveikos molekulėje rūšys (joninis ir kovalentinis ryšys). Molekulė mažiausia medžiagos dalelė, turinti esmines medžiagos chemines savybes.

Transcript

1 Atomų sąveikos molekulėje rūšys (joninis ir kovalentinis ryšys). Molekulė mažiausia medžiagos dalelė, turinti esmines medžiagos chemines savybes. Ji susideda iš vienodų arba skirtingų atomų. Molekulėje atomų yra du arba daugiau. Atomus molekulėje į patvarią daugiaatomę sistemą sieja atomų sąveika. Šios sąveikos kiekybinis matas yra energijos kiekis, kuris išsiskiria susidarant molekulei. Bandymai rodo, kad atomams susijungus į molekulę, jos optinis spektras, kurį sąlygoja valentinių elektronų šuoliai, labai skiriasi nuo atominio spektro, o būdingasis Rentgeno spektras, kurį sąlygoja vidinių sluoksnių elektronų šuoliai, nepakinta. Taigi, tarpatominę sąveiką molekulėje lemia atomų valentiniai elektronai.

2 Atomų sąveikos molekulėje rūšys (joninis ir kovalentinis ryšys). Molekulės, kuriose sąveikaujantys atomai yra pavirtę priešingo ženklo krūvį turinčiais jonais, vadinamos joninėmis. Tarp atominis ryšys tarp jų vadinamas joniniu. Na ir Cl nesužadintų atomų elektronų konfigūracija yra tokia: ir I grupės elemento Na atomo išoriniame sluoksnyje 3s yra vienas valentinis elektronas. Darbas, kurį reikia atlikti norint išstumti šį elektroną iš atomo, vadinamas jonizacijos energija ir jis lygus apie 5.1 ev. VII grupės elemento Cl atomo valentinio elektronų sluoksnio 3p posluoksniui užpildyti stinga 1 elektrono. Jį užpildant, išsiskiria apie 3.8 ev energijos. Natrio 3s elektronui pereinant į chloro 3p pasluoksnį, susidaro du vienakrūviai priešingų ženklų jonai. Dėl jų abipusės traukos dar išsiskiria apie 11.5 ev energijos. Taigi iš neutralių atomų susidarant NaCl molekulei, energijos pokyčių bendras balansas: yra neigiamas, t.y. molekulės energija tiek mažesnė už buvusių atomų energijų sumą.

3 Joninis ryšys

4 Atomų sąveikos molekulėje rūšys (joninis ir kovalentinis ryšys). Joninis ryšys galimas tarp I ir VII grupių elementų. Kai sąveikauja artimesnių grupių atomai, jų cheminis ryšys turi ir joninio ir valentinio ryšio požymius. Gamtoje egzistuoja ir iš vienodų atomų sudarytos molekulės, pavyzdžiui, H 2, O 2, N 2 ir t.t. Vienodų atomų cheminio ryšio kvantinę teoriją sukūrė V.Heitleris ir F.Londonas m. H 2 O 2 Cl 2 H 2 molekulę sudaro sąveikaujančios 4 dalelės 2 atomo branduoliai ir 2 elektronai. Kai elektronų sukiniai antilygiagretūs, tai atomams suartėjant, sistemos energija pastebimai mažėja ir susidaro cheminis ryšys. Galima sakyti, kad kiekvienas elektronas vienu metu priklauso abiems branduoliams. Šitoks ryšys tarp atomų vadinamas valentiniu arba kovalentiniu. Atomo valentingumu vadinamas valentinių jungčių, kurias jis gali sudaryti, skaičius. Valentiniai ryšiai gali susidaryti ir tarp skirtingų atomų, esančių gretimose periodinės elementų lentelės grupėse, pavyzdžiui, CN molekulė. Tačiau cheminis ryšys tarp atomų, esančių vis tolimesnėse grupėse, turi ir valentinio, ir joninio ryšio požymių.

5 Kovalentinis ryšys

8 Vandenilinis ryšys

9 Vandenilinis ryšys Deguonies ir vandenilio atomai yra susiję taip, kad tarp jų esantys ryšiai sudaro kampą. Dėl tokio atomų išsidėstymo ir dėl jų skirtingo elektrinio neigiamumo, vandens molekulė yra stipriai polinė.

10 Molekuliniai spektrai Molekulės tarpusavio ryšių tipai: 1) Tamprus ryšys 2) Kietas ryšys Tamprus ryšys Kietas ryšys

11 Molekuliniai spektrai Absorbcijos, emisijos ar kombinacinio išsklaidymo spektrai, susidarantys dėl kvantinių šuolių tarp laisvosios ar silpnai su kitomis sąveikaujančios molekulės energijos lygmenų, vadinami molekuliniais spektrais. Molekulė gali judėti sudėtingiau už pavienį atomą: ji gali suktis arba atomai molekulėje gali virpėti. Todėl molekulės būsenai nusakyti reikia daugiau ir kvantinių skaičių negu atomo būsenai nusakyti. Istorija: molekuliniai spektrai planetos atmosferos, kometų, žematemperatūrinių žvaigždžių; 1941 tarpžvaigždinės absorbcinės linijos (dėl CN, CH, CH + ); 1968 NH 3 ir H 2 O; 1969 Formaldehidas H 2 CO; Šiandien ~130 įvairių molekulių žinoma.

12 Molekuliniai spektrai Absorbcijos, emisijos ar kombinacinio išsklaidymo spektrai, susidarantys dėl kvantinių šuolių tarp laisvosios ar silpnai su kitomis sąveikaujančios molekulės energijos lygmenų, vadinami molekuliniais spektrais. Molekulė gali judėti sudėtingiau už pavienį atomą: ji gali suktis arba atomai molekulėje gali virpėti. Todėl molekulės būsenai nusakyti reikia daugiau ir kvantinių skaičių negu atomo būsenai nusakyti. Pilna molekulės energija W susideda iš tokių dėmenų: 1. Jos masės centro slenkamojo judėjimo energijos W s, 2. Molekulę sudarančių atomų branduolių energijos W b, 3. Elektronų judėjimo ir sąveikos energijos W e atome, 4. Molekulės kaip visumos sukamojo judėjimo (rotacijos) energijos W r, 5. Molekulę sudarančių atomų branduolių virpėjimo apie jų pusiausvyros padėtį energijos W v. W s yra nekvantuota ir ji spektrams įtakos neturi. Pastebimos įtakos molekuliniams spektrams neturi ir W b, todėl į šiuos dydžius nekreipiame dėmesio. Taigi molekulinių spektrų svarbiausius dėsningumus lemia energijos:

13 Molekulės rotacinės energijos lygmenys (dviatomės molekulės rotacinės energijos išraiška, rotacinio kvantinio skaičiaus vertės; nuotolis tarp gretimų energijos lygmenų). Panagrinėkime dviatomės molekulės rotacinės energijos vertes. Molekulės sukamojo judėjimo energija išreiškiama: čia L molekulės rotacijos impulso momentas. Jis kvantinėje mechanikoje išreiškiamas: čia dydis J vadinamas rotaciniu kvantiniu skaičiumi. Tada: Nuo molekulės sandaros priklausantis ir vadinamas molekulės rotacine energijos vienetais matuojamas dydis: konstanta. Nuotolis tarp gretimų rotacinės energijos lygmenų tada yra: Jis yra ev eilės. Iš impulso momento tvermės dėsnio seka, kad čia galimi tik atrankos taisyklę J=±1 tenkinantys spinduliniai šuoliai. T.y. galimi tik šuoliai į gretimą rotacinės energijos lygmenį.

14 Molekulės vibracinės energijos lygmenys (harmoninis osciliatorius, energijos formulė, vibracinio kvantinio skaičiaus galimos vertės; nuotolis tarp gretimų lygmenų). Tarkime, kad ryšys tarp atomų molekulėje yra tamprusis. Tuomet atomų sąveikos potencinė energija V(r), kaip nuotolio r tarp jų centrų funkcija vaizduojama: Nuotoliui tarp atomų centrų pakitus dydžiu (r-r 0 ), atsiranda link pusiausvyros padėties nukreipta kvazitamprioji jėga dėl to kiekvieno atomo branduolys virpa apie savo pusiausvyros padėtį (r=r 0 ). Jeigu virpesių amplitudė, palyginti su r 0 yra labai maža, tai jie yra harmoniniai ir jiems tinka harmoninio osciliatoriaus dėsningumai. Tokio osciliatoriaus energija išreiškiama lygtimi: čia v vibracinis kvantinis skaičius, 0 nuo virpančios dalelės masės m ir sistemos kvazitampriosios konstantos k priklausantis virpėjimo savasis dažnis: Iš energijos formulės seka, kad nuotolis tarp gretimų vibracinės energijos lygmenų yra vienodas ir lygus: Priklausomai nuo molekulės prigimties šis nuotolis yra ev eilės. Tokio osciliatoriaus spinduliniams šuoliams tarp vibracinės energijos lygmenų galioja atrankos taisyklės v=±1.

15

16 Rotacinių, vibracinių ir elektroninių energijos lygmenų diagrama. Molekulinių spektrų samprata (šio spinduliavimo diapazonai). Dviatomės molekulės energijos išraišką sudaro trys komponentės: Nustatyta, kad šios lygybės dėmenims galioja nelygybė: Gretimi elektronų energetiniai lygmenys W e yra toli vienas nuo kito palyginti su gretimais vibraciniais, o tuo labiau rotaciniais energetiniais lygmenimis. 1. Kiekvieną apibrėžtą W e vertę atitinka kvantiniu skaičiumi v nusakomas visas molekulės vibracinių būsenų rinkinys su savita vibracine energija W v. 2. Kiekvieną apibrėžtą molekulės vibracinės energijos W v vertę dar atitinka daugybė būsenų su skirtinga rotacine energija W r. Taigi net dviatomės molekulės energijos spektras yra labai sudėtingas palyginti su atomo.tokie spektrai vadinami juostiniais.

17 Rotacinių, vibracinių ir elektroninių energijos lygmenų diagrama. Molekulinių spektrų samprata (šio spinduliavimo diapazonai). Vykstant spinduliniam šuoliui tarp molekulės energetinių lygmenų, spinduliavimo dažnis išreiškiamas lygybe: Rotacinio spektro spinduliavimas yra ilgojo infraraudonojo spinduliavimo (šimtai mikrometrų) diapazone. Šuolių iš molekulės vieno vibracinio lygmens į gretimą v=-1 Metu rotacinis kvantinis skaičius gali sumažėti J = -1 arba padidėti J=1. Dėl šių šuolių susidaro vibracijos juosta iš labai artimų rotacijos linijų. Toks spektras vadinamas vibraciniu rotaciniu molekuliniu spektru. Jis yra artimoje (iki kelių mikrometrų) ir vidutinėje (iki kelių dešimčių mikrometrų) infraraudonojoje spektro srityje.

18

19 Kvantinių šuolių tipai (spinduliniai ir nespinduliniai, leistiniai ir draustiniai; spontaniniai ir indukuotieji bei jų svarbiausios savybės). Kvantiniu šuoliu vadiname kvantinės sistemos (atomo, molekulės, kristalo) perėjimą iš vieno energetinio lygmens į kitą. Kvantinio šuolio metu įvyksta energijos atidavimas arba sugėrimas. Pagal energijos virsmo tipą skiriami spinduliniai ir nespinduliniai šuoliai. Spindulinių šuolių metu energijos atidavimas vyksta fotono išspinduliavimu. Nespindulinių šuolių metu energija perduodama kitiems atomams, elektronams ar kristalinei gardelei, virpesių pavidalu. Tie šuoliai, kurių tikimybė yra didelė, vadinami leistiniais, o kurių tikimybė maža ar net lygi 0 draustiniais. Sužadintųjų energijų W i lygmenys, iš kurių spontaninių šuolių tikimybė yra palyginti maža, vadinami metastabiliaisiais.

20 Kvantinių šuolių tipai (spinduliniai ir nespinduliniai, leistiniai ir draustiniai; spontaniniai ir indukuotieji bei jų svarbiausios savybės). Šuolis, kuris vyksta savaime iš kvantinės sistemos vieno energetinio lygmens į kitą, vadinamas savaiminiu arba spontaniniu. Savybės: Jie galimi tik iš didesnės energijos (W i ) lygmens į mažesnės energijos (W j ) lygmenį. Savaiminiam spinduliavimui būdinga tai, kad jis vyksta atsitiktinai. Negalima numatyti šuolio pradžios laiko momento, galima tik įvertinti tikimybę, kad per tam tikrą laiko tarpą jis įvyks. Dėl savaiminio šuolio atsitiktinio pobūdžio įvairūs atomai spinduliuoja nepriklausomai vienas nuo kito ne tuo pačiu laiko momentu. Dėl to jų elektromagnetinio spinduliavimo bangų fazės, poliarizacija, spinduliavimo sklidimo kryptys yra įvairios, t.y. tarpusavyje nesuderintos. Todėl savaiminis spinduliavimas yra nekoherentinis, nors spinduliavimo dažnis gali ir sutapti.

21 Kvantinių šuolių tipai (spinduliniai ir nespinduliniai, leistiniai ir draustiniai; spontaniniai ir indukuotieji bei jų svarbiausios savybės) m. A.Einšteinas atkreipė dėmesį į tai, kad turi būti dar vienas spindulinių šuolių tipas. Pagal jį, jeigu sužadintame lygmenyje W i esantį atomą veikia kintamasis elektromagnetinis laukas, kurio dažnis tenkina sąlygą: tai spindulinio šuolio W i W j tikimybė padidėja. Toks spindulinis šuolis vadinamas priverstiniu arba indukuotuoju. Šiuo atveju elektromagnetinio lauko (fotono) veikiamas sužadintas atomas pereina į mažesnės energijos būseną. Šio šuolio metu išspinduliuoto fotono energija nusakoma lygybe. Indukuotojo spinduliavimo esminė ypatybė yra ta, kad naujai susidariusio fotono energija, dažnis, sklidimo kryptis, poliarizacija, pradinė fazė yra tapatūs jį sužadinusio fotono atitinkamoms charakteristikoms. Indukuotasis spinduliavimas yra koherentus jį indukavusiam.

22 Lygmenų užpildymas (elektronais). Užpildymo apgrąža (kodėl kvantiniams stiprintuvams bei generatoriams būtina sudaryti lygmenų užpildymo apgrąžą). Būsenoje W j esanti kvantinė sistema, sugėrusi energijos kiekį h, kuris tenkina sąlygą: pereina į didesnės energijos W i būseną vyksta priverstinis arba indukuotasis absorbcinis šuolis. Spontaniniai šuoliai W j W i negalimi. Paprasčiausios pusiausvyros atvejis yra detalioji pusiausvyra, kuri nusistovi tarp bet kurių dviejų laisvai pasirinktų energetinių lygmenų. Tuomet šuolių iš i-ojo lygmens į j-ąjį skaičius turi būti lygus per tą patį laiką įvykusių atvirkštinių šuolių skaičiui (iš j-ojo į i-ąjį). Kai kūno temperatūra T>0K, dalis jo atomų ar molekulių yra sužadintos. Detaliosios pusiausvyros atveju dalelės pagal energijas W i pasiskirsto pagal Bolcmano dėsnį: čia N i energijos W i būsenoje esančių dalelių skaičius, C tam tikra sistemos konstanta. Tuomet pagal skirtingas energijas W i ir W j dalelės pasiskirsto šitaip: Iš čia seka, kad jeigu W i >W j, tai N j >N i, t.y. mažesnės energijos lygmenyje dalelių yra daugiau negu didesnės energijos lygmenyje.

23 Lygmenų užpildymas (elektronais). Užpildymo apgrąža (kodėl kvantiniams stiprintuvams bei generatoriams būtina sudaryti lygmenų užpildymo apgrąžą). Kai spinduliavimo energija sklinda medžiaga, stebimi abiejų tipų indukuotieji šuoliai: absorbcinis ir spindulinis. Pirmasis krintančio spinduliavimo intensyvumą mažina, antrasis didina. Galutinis rezultatas priklauso nuo to, kuris iš jų dominuoja. Kadangi N j >N i, tai krintančiam fotonui didesnė tikimybė sąveikauti su energijos W j dalelėmis negu su energijos W i dalelėmis.taigi absorbcinių šuolių bus daugiau negu indukuotųjų spindulinių šuolių. Medžiaga sklindančio spinduliavimo intensyvumas mažėja Bugerio dėsniu: Medžiaga sklindančio spinduliavimo intensyvumas didėja tik tuomet, jeigu indukuotųjų spindulinių šuolių tikimybė yra didesnė negu absorbcinių šuolių. Tuomet eksponentės laipsnio rodiklis yra teigiamas. Dydį α pažymėję k, Bugerio dėsnį perrašome šitaip: čia teigiamas dydis k vadinamas stiprinimo koeficientu. Santykis rodo kiek kartų spinduliavimo intensyvumas padidėja, spinduliavimui praeinat storio x medžiagos sluoksnį.

24 Lygmenų užpildymas (elektronais). Užpildymo apgrąža (kodėl kvantiniams stiprintuvams bei generatoriams būtina sudaryti lygmenų užpildymo apgrąžą). Taip yra medžiagoje, kurioje sukurta energetinių lygmenų užpildymo apgrąža (inversija), t.y. didesnę energijos vertę W i turinčių dalelių skaičius N i >N j. Įtaisas, kuriuo dėl indukuotųjų spindulinių šuolių generuojamas dažnio signalas, vadinamas kvantiniu generatoriumi. Jeigu jis yra optinių dažnių diapazone, tai prietaisas dar vadinamas lazeriu arba optiniu kvantiniu generatoriumi (OKG), o jeigu mikrobangų diapazone mazeriu. Kai toks įtaisas naudojamas dažnio išoriniam signalui stiprinti, tuomet jis vadinamas kvantiniu stiprintuvu. Jo veikimo principas visai toks pat kaip kvantinio generatoriaus. Kvantiniai generatoriai ir stiprintuvai veikia apgrąžos (inversijos) lygmenų panaudojimo principu. Tik tokioje struktūroje signalas yra stiprinamas. Apgrąžos (inversijos) struktūra gaunama trijų lygmenų sistemoje. Ekonomiškesnis yra keturiais energetiniais lygmenimis pagrįstas jų užpildymo apgrąžos gavimo būdas.

25 Kaip sudaroma lygmenų užpildymo elektronais apgrąža (trijų energetinių lygmenų sistema). Tokią apgrąžą galima gauti trijų energetinių lygmenų sistemoje, jeigu jie pasižymi reikiamomis savybėmis. W 1 yra nesužadinto atomo ar molekulės didžiausia energija, o W 2 ir W 3 sužadintų energijų lygmenys. Čia labai svarbu, kad spinduliniai šuoliai iš 3-iojo lygmens į 2-ąjį būtų leistini, o iš 2-ojo į 1-ąjį būtų draustini, kitaip sakant energetinis lygmuo W 2 būtų metastabilusis. Metastabiliaisiais vadinami sužadintųjų energijų W i lygmenys, iš kurių spontaninių šuolių tikimybė yra palyginti maža. Tuomet jame atsidūrusio atomo būdingoji gyvavimo trukmė būtų apie 10 3 s, t.y. apie 10 5 kartų ilgesnė negu lygmenyje W 3. Be to, lygmuo W 2 turi būti artimas W 3.

26 Kaip sudaroma lygmenų užpildymo elektronais apgrąža (trijų energetinių lygmenų sistema). Šią kvantinę sistemą veikiant energijos ε' = W 3 W 1 intensyviu fotonų srautu, vyrauja elektronus iš lygmens W 1 į W 3 perkeliantys absorbciniai šuoliai. Dalis sužadintų atomų savaime ar priverstinai grįžta į lygmenį W 1, po to vėl sugėrę fotoną iš naujo sužadinami. Tačiau jeigu lygmuo W 2 artimas W 3, tuomet didelė tikimybė, kad sužadintieji atomai, kristalui ar kitiems atomams atidavę energijos kiekį W 3 W 2, pereina į metastabilųjį lygmenį. Intensyviai žadinant medžiagą, gali susidaryti 1 ir 2 lygmenų užpildymo apgrąža, t.y. situacija, kurioje N 2 >N 1. Čia turi būti sužadinta daugiau kaip pusė visų medžiagos dalelių, todėl žadinimo intensyvumas turi būti gana didelis. Spontaninio šuolio metu iš 2 lygmens į 1 lygmenį išspinduliuotasis dažnio fotonas gali indukuoti spindulinį šuolį 2 1. Tuomet susidaro dar vienas jam tapatus fotonas. Šie jau du fotonai savo ruožtu gali indukuoti naujus kvantinius šuolius tuomet dažnio signalas stiprėja.

27 Kvantinių generatorių bei stiprintuvų veikimo principai (technine prasme; rezonansinio stiprintuvo veikimas; grįžtamasis ryšys; rezonanso sąlyga; kuo kvantinis generatorius panašus į kvantinį stiprintuvą ir kuo skiriasi?) Pirmąjį kvantinį generatorių (mazerį) beveik vienu metu 1954 m. sukūrė C.Taunsas su bendradarbiais bei N.Basovas su A.Prochorovu. Čia aktyvioji medžiaga buvo amoniako NH 3 molekulės. Pirmasis kietojo kūno lazeris (1960 m.) sukurtas naudojant rubino kristalą. Raudonasis rubinas yra aliuminio oksido (Al 2 O 3 ) kristalas (korundas), kuriame apie 0,05% aliuminio atomų pakeista chromo jonais. Pirmasis dujų kvantinis generatorius sukurtas 1961 m. Čia aktyvioji medžiaga buvo neono ir helio dujų mišinio plazma, kuri susidarydavo vykstant aukšto dažnio elektros iškrovai.

28 Kvantinių generatorių bei stiprintuvų veikimo principai (technine prasme; rezonansinio stiprintuvo veikimas; grįžtamasis ryšys; rezonanso sąlyga; kuo kvantinis generatorius panašus į kvantinį stiprintuvą ir kuo skiriasi?) Kiekvieną kvantinį generatorių sudaro rezonansinis stiprintuvas ir grįžtamojo ryšio elementai. Stiprintuvą sudaro aktyvioji medžiaga 1 ir jos žadinimo energijos šaltinis. Grįžtamojo ryšio grandinę sudaro atviras rezonatorius, t.y. du nuotoliu L įtaisyti lygiagretūs veidrodžiai 2 ir 3. Vienas jų, sakykime 3, yra pusiau skaidrus. Tik išilgai rezonatoriaus sklindantys fotonai, atsispindėję nuo veidrodžio 2, vėl grįžta į aktyviąją medžiagą ir toliau kuria tapačių fotonų laviną. Jiems pasiekus pusiau skaidrų veidrodį 3, dalis išeina išorėn, o kita dalis atsispindi, ir toliau aktyvioje medžiagoje jų srautas stiprėja. Tokiu būdu veidrodžiais sudaromas teigiamas grįžtamasis ryšys, būtinas fotonų generavimo režimui palaikyti. Iš (pav. a) seka, kad kiekvieną kartą praeinančio aktyviosios medžiagos ilgio L sluoksnį spinduliavimo intensyvumas padidėja e kl kartų, čia k stiprinimo koeficientas.

29 Kvantinių generatorių bei stiprintuvų veikimo principai (technine prasme; rezonansinio stiprintuvo veikimas; grįžtamasis ryšys; rezonanso sąlyga; kuo kvantinis generatorius panašus į kvantinį stiprintuvą ir kuo skiriasi?) Kad būtų generuojamas spinduliavimas, rezonatoriaus ilgis L turi tenkinti tam tikras sąlygas. Spinduliavimo stiprėjimas kvantiniame generatoriuje pagal banginį įvaizdį reiškia, kad nepaliaujamai didėja bangos amplitudė. Pasiekus rezonansą ji pasidaro didžiausia. Tai įvyksta tuomet, kai rezonatoriaus ilgyje L telpa generuojamų bangų sveikasis pusbangių skaičius, t.y. Taigi šiuo požiūrių kvantinio generatoriaus spinduliavimas tai daugybės koherentinių bangų, kurių fazių skirtumai 2π kartotiniai, interferencijos rezultatas. Įtaisas, kuriuo dėl indukuotųjų spindulinių šuolių generuojamas dažnio signalas, vadinamas kvantiniu generatoriumi. Kai toks įtaisas naudojamas dažnio išoriniam signalui stiprinti, tuomet jis vadinamas kvantiniu stiprintuvu. Jo veikimo principas visai toks pat kaip kvantinio generatoriaus.